数控机床主传动系统的热变形补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种数控机床主传动系统的热变形补偿方法，包括以下步骤：Ａ）确定数控机床主传动系统的数个关键发热源；Ｂ）采集数个关键发热源处的温度变量和与其对应的、机床主轴在至少一个正交方向上的热变形量；Ｃ）对所采集的温度变量和热变形量进行处理，得到关键发热源处温度变化与机床主轴热变形之间的数学模型，并输入机床的数控系统；Ｄ）采集数个关键发热源处的温度值并输入机床的数控系统；Ｅ）数控系统根据输入的各温度值算出机床主轴的热变形量，并驱动传动部件对主传动系统产生的热变形进行实时补偿。本发明专利技术所使用的附属部件少、能进行动态的实时补偿，具有补偿后精度高、稳定性好和经济适用的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对数控机床主传动系统的热变形进行补偿的方法。
技术介绍
目前机械加工业普遍使用的数控机床虽然比传统的机床在精度上有很大的提高，但与其设计值仍有一定偏差，影响数控机床加工精度的因素有X、Y、Z三轴进给系统的定位误差和由各种热源引起的热变形误差，前者主要由丝杠、轴承、安装零件等的制造误差以及装配误差引起，但是，X、Y、Z三轴进给系统的定位误差可以采用全闭环控制，通过光栅尺反馈运动部件真实的位移，由数控系统进行补偿，排除进给系统由于上述原因造成的定位误差；后者是由于各种内部热源和外部热源的作用，各部件温度不断变化，同时由于热源强度、分布情况和各部件本身的热学参数不同，形成非均匀温度场产生不同程度的热变形，破坏了部件之间原有的相对位置，使精度降低，其中外部热源包括环境温度的变化和各种辐射源，由于它对机床温度场的影响较均匀，对加工精度的影响较小；内部热源包括机床运行中各运动副产生的摩擦热，如主传动系统的主轴轴承副、齿轮副、导轨副、进给丝杠、液压系统等处均承受较大负荷，产生大量的摩擦热，该摩擦热作用于机床的局部区域，造成机床的温度场分布不均匀，同时由于机床各部件，如主轴箱、主轴和主轴上的其它部件材料的线膨胀系数不一样，导致各部件的热膨胀量不一样，各部件之间相互限制和约束，从而产生不均匀的热变形，不可避免的影响到主轴上物体运行轨迹的精确性，最终造成加工工件的尺寸误差，因此内部热源导致的温升虽小，却是机床热变形的主要原因，据调查在精密加工中，内部热源引起的热变形加工误差，占总加工误差的40％-70％，且该热变形误差的规律性不明显，针对热变形误差现在通常采用以下方法预以消除(1)改进机床设计和材料在机械设计时对产生热变形的部件选择具有合理热膨胀系数的材料、控制热变形的方向，从而有效防止重要部件的热变形对加工误差的影响，但该方法会增加机床的材料成本和引起机床结构的复杂化，且不能进行动态的实时补偿，长时间运行其热变形误差仍较大；(2)降低温升目前通过降低温升进行热变形补偿的方法主要有a.降低热源强度，如采用气浮、液压主轴和导轨降低摩擦热；b.在内部热源处增设隔热和导热装置，如采用隔热层使机床发热部件产生的热量排出、采用陶瓷轴承、磁力轴承等；c.对发热部件进行冷却，如采用油冷机对主轴进行强制冷却；上述方法有以下缺点所使用的附属部件多，对机床的改动较大，成本高，且降低温升的方式为模糊控制，补偿后的精度和精度的稳定性仍较差；图8为数控机床中的C型立式加工中心采用油冷机对主轴进行强制降温，多次测量对应于主轴的关键发热源(上、下轴承副)的主轴箱体处(3点和1点)的温度值与主轴在Y、Z轴方向上三处(Y上、Y下、Z)的热变形后，得到的温度与热变形的曲线图(具体设置为在对应于主轴的上、下轴承副的主轴箱体处分别开两个盲孔，盲孔内分别设置一温度传感器，所测得的温度分别代表3点和1点处的温度；在主轴上安装标准检验芯棒，在机床的YZ平面内分别安装两个间距为250mm的千分表，千分表的触头对准标准检验芯棒的中心线并对零，在主轴端面安装一个千分表，所测得的热变形量分别代表在Y轴方向上、主轴的上端和下端、以及主轴在Z轴方向上的热变形量)；从图8可见，采用油冷机降温，Z轴方向上的热变形仍较大，平均为40μm，最大为70μm，Y轴最大为25μm，补偿后精度仍较差，且精度的稳定性差。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的上述不足，提供一种，所使用的附属部件少、能进行实时的精确补偿，具有补偿后精度高、稳定性好和经济适用的优点。为达到上述目的，本专利技术的一种，其特征在于包括以下步骤A)通过实验确定数控机床主传动系统的数个关键发热源；所谓关键发热源即是对热变形有较明显影响的发热源，确定关键发热源对后续步骤有重要意义； B)采集数个关键发热源处的温度变量和与其对应的、此刻机床主轴在至少一个正交方向上的热变形量；此步骤可通过在数个关键发热源处设置温度传感器和在机床主轴上设置千分表而实现；C)对步骤(B)所采集的温度变量和热变形量进行处理，得到数个关键发热源处温度变化与机床主轴在至少一个正交方向上热变形之间的数学模型，并将此数学模型输入机床的数控系统；D)采集数个关键发热源处的温度值并通过模/数转换模块输入机床的数控系统；E)数控系统根据输入的各温度值通过数学模型计算出各关键发热源处温度的变化值，从而通过数学模型计算出机床主轴在至少一个正交方向上的热变形量，并由数控系统驱动传动部件对主传动系统产生的热变形进行实时补偿。理论上，在主传动系统上选择的关键发热源越多，所得到的数学模型越能准确体现温度与热变形之间的关系，但该数学模型将越复杂，通过实验获得该数学模型的难度越大，因此确定关键发热源及其数量就显得十分重要；确定数个关键发热源可由下述步骤完成1)采集数个发热源处的温度变量、此刻机床主轴在三个正交方向(X轴、Y轴和Z轴方向)上的热变形量；2)用模糊聚类分析方法对测得温度变量进行分组，再通过多元回归分析计算出每组中各温度变量与热变形的相关系数，选择与机床热变形的相关系数最大的温度变量作为该组的典型温度变量，排除该组中的其它温度变量，再对各典型温度变量进行分组，通过一次或一次以上的筛选，筛选出数个相关系数最大的温度变量作为最后的典型温度变量，再对各典型温度变量进行组合，计算各个组合经过修正后的复相关系数，选择修正后复相关系数最大的温度变量组合对应的数个发热源为关键发热源；首先依据模糊聚类对采集的温度变量进行分组，再通过多元回归分析得到由回归平方和SSR与残差平方和SST比值决定的、温度变量与热变形的相关系数Rp2；模糊聚类是根据温度变量的相关性将温度变量分为若干类，可用模糊矩阵来表现模糊关系，用聚类分析模糊关系，模糊聚类分析具体步骤如下第一步标定，即是求出被分类对象间相似程度的统计量rij(1≤i，j≤N)，从而确定出相似矩阵R＝(rij)N×N。其中，Xi(i＝1，…，N)为温度变量，则Xik(i＝1，…，n；k＝1，…N)为Xi的n个温度变量的所测值，则rij=∑k=1n(Xik-X‾i)(Xjk-X‾j)∑k=1n(Xik-X‾i)2∑k=1n(Xjk-X‾j)2]]>...式(1)其中X‾i=1n(∑k=1nXik)]]>X‾j=1n(∑k=1nXjk)]]>第二步将相似矩阵改造成等价矩阵，使用平方法求传递闭包(设R是X上的模糊关系，称包含R的最小传递模糊关系为R的传递闭包)，因为R是N阶模糊矩阵，所以存在自然数k≤N，使t(R)＝Rk，对于一切大于k的自然数l，有Rl＝Rk，所以当某一步出现R2k＝Rk时，便是一个模糊等价矩阵。第三步有了等价模糊矩阵t(R)＝Rk，就可以进行模糊聚类了，根据聚类需细分还是粗分的要求，在中选取一个数λ，凡Rij≥λ的元素变为1，否则变为0，从而达到分类的目的；令分类后的矩阵为R＝t(R)λ，则R为t(R)在λ处的截集，λ为水平值；经过模糊聚类把温度变量分成若干组后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数控机床主传动系统的热变形补偿方法，其特征在于包括以下步骤：Ａ）通过实验确定数控机床主传动系统的数个关键发热源；Ｂ）采集数个关键发热源处的温度变量和与其对应的、机床主轴在至少一个正交方向上的热变形量；Ｃ）对步骤（ Ｂ）所采集的温度变量和热变形量进行处理，得到数个关键发热源处温度变化与机床主轴在至少一个正交方向上热变形之间的数学模型，并将此数学模型输入机床的数控系统；Ｄ）采集数个关键发热源处的温度值并通过模／数转换模块输入机床的数控系统；　 　Ｅ）数控系统根据输入的各温度值通过数学模型计算出各关键发热源处温度的变化值，从而通过数学模型计算出机床主轴在至少一个正交方向上的热变形量，并由数控系统驱动传动部件对主传动系统产生的热变形进行实时补偿。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐中行，林健，王东，马术文，刘柯，
申请(专利权)人：四川长征机床集团有限公司，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]